太赫茲頻率范圍位于微波和紅外光之間的電磁頻譜的中間位置，具有進行高帶寬通信，超高分辨率成像，用于射電天文學(xué)的精確遠(yuǎn)程感測的潛力。

但是，對于大多數(shù)應(yīng)用而言，電磁頻譜的這一部分仍然遙不可及。那是因為太赫茲頻率的電流源體積大，效率低，調(diào)諧受限或必須在低溫下工作。

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員與麻省理工學(xué)院和美國陸軍合作開發(fā)了一種緊湊的，室溫下，可廣泛調(diào)諧的太赫茲激光器。

Robert L. Wallace應(yīng)用物理學(xué)教授和Vinton Hayes說：“這種激光器的性能優(yōu)于該光譜范圍內(nèi)的任何現(xiàn)有激光源，并首次將其開放給廣泛的科學(xué)和技術(shù)應(yīng)用。” SEAS電氣工程高級研究員，該論文的共同資深作者。

美國陸軍CCDC航空與導(dǎo)彈中心高級技術(shù)專家，聯(lián)合研發(fā)中心的“該論文的高級作者。

埃弗里特(Everitt)還是杜克大學(xué)(Duke University)的物理學(xué)兼職教授。

盡管大多數(shù)電子或光學(xué)太赫茲源使用大型，效率低下和復(fù)雜的系統(tǒng)來產(chǎn)生有限調(diào)諧范圍的難以捉摸的頻率，但Capasso，Everitt及其團隊采用了不同的方法。

為了了解他們做了什么，讓我們回顧一下激光工作原理的一些基本物理原理。

在量子物理學(xué)中，受激發(fā)的原子或分子處于不同的能級-將它們視為建筑物的地板。在典型的氣體激光器中，大量分子被困在兩個反射鏡之間，并達到激發(fā)能級，也就是建筑物的較高樓層。當(dāng)它們到達該樓層時，它們會衰減，下降一個能級并發(fā)出光子。這些光子在來回反彈時會刺激更多分子的衰變，從而導(dǎo)致光的放大。要更改所發(fā)射光子的頻率，您需要更改被激發(fā)分子的能級。

那么，如何改變能量水平?一種方法是使用光。在稱為光泵浦的過程中，光將分子從較低的能級提升到較高的能級，就像量子電梯一樣。以前的太赫茲分子激光器使用光泵，但其可調(diào)諧性僅限于少數(shù)幾個頻率，這意味著電梯只能到達少數(shù)樓層。

這項研究的突破在于，卡帕索，埃弗里特及其團隊使用了高度可調(diào)的量子級聯(lián)激光器作為其光泵。這些功能強大的便攜式激光器由卡帕索和他的小組在1990年代的貝爾實驗室共同發(fā)明，能夠有效產(chǎn)生可廣泛調(diào)諧的光。換句話說，該量子電梯可以停在建筑物的每一層。

麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理教授史蒂芬·約翰遜，研究生王旺和埃弗里特提出了優(yōu)化新激光器運行的理論。

慕尼黑馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所的諾貝爾獎獲得者西奧多·漢施說：“由量子級聯(lián)激光器泵浦的分子太赫茲激光器提供了高功率和寬調(diào)諧范圍，且結(jié)構(gòu)出奇的緊湊和堅固。”他沒有參與這項研究。“這些來源將開辟從傳感到基礎(chǔ)光譜的新應(yīng)用。”

該論文的第一作者，SEAS的博士后研究員Paul Chevalier說：“令人興奮的是，這個概念是普遍的。”“使用該框架，您可以使用幾乎任何分子的氣體激光器制造太赫茲光源，應(yīng)用范圍非常廣泛。”

研究人員將量子級聯(lián)激光泵與一氧化二氮(又稱笑氣)激光結(jié)合在一起。

“通過優(yōu)化激光腔和透鏡，我們能夠產(chǎn)生接近1 THz的頻率，”卡帕索研究組的研究生，論文的合著者Arman Amirzhan說道。

卡帕索說：“這種結(jié)果是其中之一。”“人們以前知道如何制作太赫茲激光，但無法寬帶化。直到與亨利在一次會議上偶然碰面之后，我們開始了這項合作，我們才得以建立可以使用的連接像量子級聯(lián)激光器這樣可廣泛調(diào)諧的泵。”

該激光器可用于從改善的皮膚和乳腺癌成像到藥物檢測，機場安全和超大容量光學(xué)無線鏈路的所有領(lǐng)域。

埃弗里特說：“我對使用這種激光幫助繪制星際介質(zhì)的可能性感到特別興奮。”“分子在太赫茲區(qū)域具有獨特的光譜指紋，天文學(xué)家已經(jīng)開始使用這些指紋來測量這些氣體和塵埃原始云的成分和溫度。像我們的激光器這樣更好的地面太赫茲輻射源將進行這些測量甚至更加靈敏和精確。”